第6章巖體初始應力狀態

第六章

巖體初始應力及其測量本章內容：

§6-1基本概念§6-2巖體的自重應力§6-3巖體構造應力§6-4巖體初始應力分布狀態§6-5巖體初始應力場測定§6-6巖爆1、巖體初始應力場的構成；2、重力應力場和構造應力場的特點；3、原巖應力場的分布狀態；4、應力解除法的基本原理。關鍵術語：原巖、原巖應力、自重應力、構造應力、應力解除要求：1、了解原巖應力分布狀態；2、了解影響原巖應力分布的因素；3、熟悉幾種應力解除法測試原巖應力的方法和測試步驟。本章的重點難點§6-1基本概念原巖：未經工程開挖而又不受開挖影響仍處于自然平衡狀態的巖體，稱為原巖。圍巖：受工程開挖影響應力發生重新分布的巖體，稱為圍巖。原巖應力：原巖中天然賦存的應力稱為原巖應力，又稱為初始地應力或地應力。

原巖應力場：原巖應力在巖體空間有規律的分布狀態稱為原巖應力場，又稱為初始地應力場。即未經采動的巖體在天然狀態下所具有的應力狀態。自重應力：地殼上部各種巖體由于受到地心引力的作用而產生的應力。它是由巖體自重引起的。自重應力場：自重應力在空間有規律的分布狀態稱為自重應力場。構造應力：由地質構造作用產生的應力稱為構造應力?；虻貧ぶ虚L期存在著一種促使構造運動發生和發展的內在力量，這就是構造應力。構造應力場：構造應力在空間有規律的分布狀態稱為構造應力場?！?-1基本概念次生應力（二次應力）巖體開挖擾動了原巖的自然平衡狀態，使一定范圍內的原巖應力發生變化，變化后的應力稱為次生應力或二次應力。原巖應力≈自重應力＋構造應力

迄今為止，對原巖應力還無法進行較完善的理論計算，而只能依靠實際測量來建立巖體中初始應力狀態。

§6-1基本概念§6-2巖體的自重應力一、基本公式在均勻巖體中，深度為z處的巖體的豎向自重應力為：在半無限體中任一微元體上的正應力均為主應力，且有得：其中λ為巖體靜止側壓力系數。根據虎克定律：在均勻巖體中，巖體的自重初始應力狀態為：對于均質成層巖體：巖體自重應力的特點：（1）水平應力σx、σy小于垂直應力σz；（2）σx、σy、σz均為壓應力；（3）σz只與巖體密度和深度有關，而σx、σy還同時與巖體彈性常數E、μ有關；（4）結構面影響巖體自重應力分布。在地殼淺部，可認為巖體處于彈性狀態，μ=0.20~0.30,在深部，巖體轉入塑性狀態，μ=0.50，λ＝1，則有：σx=σy=σz＝γz

各向等壓的應力狀態，又稱為靜水壓力狀態。著名的海姆假說（瑞士地質學家1871），也成為潛塑狀態?！?-3巖體構造應力

一、構造應力場的概念

構造應力：由地質構造作用產生的應力稱為構造應力?；虻貧ぶ虚L期存在著一種促使構造運動發生和發展的內在力量，這就是構造應力。巖體構造應力是構造運動中積累或剩余的一種分布力。構造應力場是構造運動中積累或剩余的一種應力場，相對于人類活動時期而言，除構造活動區外，它是剩余應力場。二、構造運動的起因地質學家分析地球表層（包括地殼和地幔）結構及其運動規律和發展，提出了各種大地構造學說，最具代表的是地質力學學說和板塊構造學說。1、地質力學學說該學說認為地球自轉速度的變化產生兩種推動地殼運動的力：一種是經向水平離心力；一種是緯向水平慣性力。這兩種力是引起地殼巖體中出現構造應力的根本原因。大量的實測資料說明巖體中水平應力大于垂直應力，說明構造應力以水平應力為主。2、板塊構造學說該學說認為板塊運動的核心是海底擴張。海底擴張是由于地幔對流引起的。三、構造應力場分析根據巖體變形破壞機理，對構造運動留下的遺跡（構造形跡）進行分析，以判斷構造應力的主應力方向。（一）構造形跡的形成機理1、褶皺形成機理2、斷層和節理的形成機理斷層、節理形成機理有三種：張性的、扭性的、壓性的。（1）張性斷層是由于巖體中的張應變超過極限而產生的。這種斷層層面不規則，斷層走向與最大主應力方向平行。小的張性斷裂兩盤巖石不一定發生錯動，稱之為張性節理。（2）壓性斷層和扭性斷層都可用莫爾－庫倫理論來解釋。由

地

質

特

征

推

斷

構

造

應

力

方

向由地質特征推斷構造應力方向（二）地層剝蝕后側壓力系數變化四影響巖體初始應力狀態的因素1地形四影響巖體初始應力狀態的因素2地質構造形態四影響巖體初始應力狀態的因素3巖體力學性質

堅硬完整巖體相對軟弱松散巖體具有更強的初始應力。4水壓力水的浮力、水位升降及動水壓力均會對初始應力產生影響。5溫度§6-4巖體初始應力（原巖應力）分布狀態目前，原巖應力的實測深度達3000m。在這一深度內，原巖應力變化規律大致可歸納為以下幾點：一、原巖應力場是相對穩定的非穩定場（時間和空間的函數）；二、水平應力σH普遍大于垂直應力σv,即側壓力系數λ＝σH/σv>1;三、平均水平應力σH與垂直應力σv的比值隨深度增加而減小。四、兩個水平應力的關系一般有五、最大、最小水平主應力隨深度線性增加：六、實測垂直應力σv基本上等于上覆巖層的重力在25~2700m深度內，σv隨深度線性增加，大致相當于按平均重度γ=27kN/m3計算出來的重力γH,即§6-5巖體初始應力場測定

一、應力解除法（一）基本原理地下某點的巖體處于三向壓縮狀態，如用人為的方法解除其應力，必然發生彈性恢復，測定其恢復的應變，利用彈性力學公式則可算出巖體初始應力。

破壞聯系，解除應力；彈性恢復，測出變形；根據變形，轉求應力。1、已知主應力方向的應力解除

如圖示平板：在受力狀態下，貼上應變片此時：卸去外力，變形恢復，此時：根據廣義虎克定律：解得：(1)由彈性原理：式中：εα為x軸成α角度方向的線應變。由上式可解得εx,εy,γxy2、未知主應力方向的應力解除(2)解得εx,εy,γxy,可按下式求出主應變ε1ε2和α0已知ε1,ε3,α0,即可按(1)式求出主應變σ1,σ3。(3)3、應變花種類為計算方便，常把三個應變片布置成如圖所示的形式。即：等角應變花、直角應變花A、直角應變花α1＝00，α2＝450，α3＝900將εx,εy,γxy代入(3)式得：(4)將ε1,ε3,α0代入(1)式求出主應變σ1,σ3：(5)B、等角應變花α1＝00，α2＝600，α3＝1200由上式可解得εx,εy,γxy，并將其代入(3)式得：(7)(6)將（7）式

代入(1)式得：

注意：按上式方法計算得出的σ1，σ3是平面狀態下（鉆孔斷面內）的次主應力，而不是該點的主應力。次主應力：是某坐標面內兩個正應力的極值，一般不等于主應力；次主應力面上仍有剪應力；只有在三個正交的平面上的剪應力都為零時，次主應力才等于主應力。(8)（二）應力解除方法1、孔底應力解除法孔底應力解除法測定巖體應力的步驟：1、打大孔至測點，磨平孔底。2、在孔底粘貼電阻應變花探頭。3、解除應力，測量其應變。4、取出巖心，測其彈性參數。5、計算巖體應力?？椎讘獬ǖ脑u價優點：解除巖心短，不需要打很長的套孔巖心，適用于完整性差的巖體。

缺點：采用孔底應力解除時，單孔不能確定巖體應力的六個分量，必須進行三孔測定，才能確定巖體的原巖應力；無理論計算公式，只能用經驗公式計算巖體的三維應力。2、孔徑變形法孔徑變形法通過測定鉆孔孔徑變形求解巖體應力，其應力解除工序為：1、打大孔至測點，磨平孔底。2、打同心小孔，安裝孔徑變形計探頭。3、延伸大鉆孔解除應力，同時測量孔徑變形。4、取出巖心，測其彈性參數E、μ。5、計算巖體應力。3、孔壁應變法（1）測試工序孔壁應變法是通過測定鉆孔孔壁的應變求解巖體應力的6個分量，其應力解除工序與孔徑變形法相似：1、打大孔至測點，磨平孔底。2、打同心小孔，安裝應變花探頭。3、套孔解除應力，超過小孔底部5cm,同時測量孔壁應變。4、取出巖心，測其彈性參數E、μ。5、計算巖體應力。二、水壓致裂法1、基本原理對測試段鉆孔用特制封隔器密封起來，然后對密封段加高壓水直至孔壁巖石產生張裂隙。根據裂隙的方向及泵壓的大小分析確定原巖的應力狀態。水壓致裂裝置封隔器鉆孔高壓水2、基本假設（1）一個主應力方向是垂直的，其大小等于上覆巖層的自重應力。而另外兩個主應力是水平的，且破裂方向垂直于最小主應力方向。即鉆孔方向為某一主應力方向。（2）巖體是均質、各向同性的線彈性體。3、適用條件：完整性好的脆性巖體。水壓致裂法測定系統兩向受不相等的均布力σ1、σ2作用時的應力分量：孔壁（r=ρ)應力分量：式中：φ為周邊一點與σ1的夾角。當φ＝0o時，σφ取極小值，此時（1）由彈性力學厚壁筒公式，在只受內壓q1作用：若R→∞,得到具有圓孔的無限大薄板，或具有圓形孔道的無限大彈性體，其解答為：若r＝ρ,得到：根據巖體力學應力符號規定，得孔壁切向應力：（2）當鉆孔受水壓力P作用,且受水平原巖應力σ1、σ2作用，鉆孔壁的最小切向應力為式（1）與（2）的疊加：巖體破裂條件：于是：式中pic1為孔壁發生初始裂縫時的水壓力，σt為封隔段巖石抗拉強度?？梢?，當水壓力達到pic1時，孔壁將沿σ1的方位開裂。如果鉆孔中有裂隙水，其水壓力為P0，則：（3）繼續注入高壓水，裂隙進一步擴展，當裂隙深度達到3倍鉆孔直徑時，此處接近原巖應力狀態，停止加壓，保持壓力恒定（PS),則有：如果測出封隔段巖石抗拉強度σt，即可由式（3）、（4）求出σ1和σ2（4）因此，在初始裂隙產生后，將水壓力卸除，使裂隙閉合，然后重新加壓，使裂隙重新打開，這時水壓力為pic2，則有（5）由式（5）、（4）可求出σ1和σ2聯立解得：（4）（5）（3）

A、

巖石抗拉強度：

B、

最大水平應力：

C、

最小水平應力：可見，水壓致裂法只能確定垂直于鉆孔平面內的最大和最小主應力，實際上是一種二維應力測量方法。若要確定測點的三維應力狀態，必須打互不平行的交匯于一點的的三個鉆孔。這是非常困難的。4、水壓致裂試驗成果孔隙水壓力Ps關閉壓力Pic2使裂縫重新張開的壓力pic1孔壁巖石破裂壓力（a）裂縫沿軸向產生和延伸（b）裂縫沿軸向產生向水平方向延伸

A、

巖石抗拉強度：（1）試驗曲線只有一個關閉壓力ps

B、

最大水平應力：

C、

最小水平應力：

D、

垂直應力按巖體自重計算：（2）試驗曲線有兩個關閉壓力ps1和ps2

A、

最小水平應力：B、垂直應力：C、

最大水平應力：5、水壓致裂法評價

優點：1、能測量深部巖體應（5000m）；2、可以使用各種尺寸的勘探鉆孔，在勘探階段便可測定；3、不須對鉆孔進行應力解除，不須精密的儀器；4、不需要巖體彈性參數。缺點1、假定鉆孔方向為主應力方法，因此，實測的三維主應力是近似的。2、設備笨重，鉆孔封隔加壓技術較復雜；三、聲發射法聲發射——巖石受外荷載作用，其內部儲存的應變能因微裂隙產生和發展而快速釋放，從而產生彈性波，發出聲響，稱為聲發射。凱塞效應——

1950年，德國人J.Kasiser發現多晶金屬的應力從其歷史最高點水平釋放后，再重新加載，當應力未達到先前最大應力值時，很少有聲發射產生，而當應力達到和超過歷史最高水平后，則大量產生聲發射，這一現象稱為凱塞效應。凱塞點——從很少產生聲發射到大量產生聲發射的轉折點稱為凱塞點，該點對應的應力即為材料先前受到的最大